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1、1,第三章 锅炉燃烧控制系统,3.1 锅炉燃烧过程概述 3.2 中储式锅炉燃烧控制策略 3.3 中储式锅炉燃烧控制系统实例3.4 直吹式锅炉燃烧控制策略 3.5 直吹式锅炉燃烧控制系统实例,2,3-1 概 述,3,一、燃烧控制系统的基本任务 电站锅炉燃烧过程实质是将燃料化学能转变为蒸汽热能的能量形式转换过程。燃烧过程控制的根本任务是使燃烧所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，并保证锅炉安全经济运行。 1维持蒸汽压力稳定 锅炉蒸汽压力作为表征锅炉运行状态的重要参数，不仅直接关系到锅炉设备的安全运行，而且其是否稳定反映了燃烧过程中能量供求关系。在单元机组中，锅炉蒸汽压力控制与汽机负荷控制是相互关联的
2、，锅炉燃烧控制系统的任务是及时调整锅炉燃料量，使锅炉的能量输出与汽机为适应对外界负荷需求而需要的能量输入相适应，其标志是蒸汽压力的稳定。,4,2保证燃烧过程的经济性 保证燃烧过程的经济性是提高锅炉效率的重要方面，它是通过维持进入炉膛的燃料量与送风量之间的最佳比值来实现，即在有足够的风量使燃料得以充分燃烧的同时，尽可能减少排烟造成的热损失。 3维持炉膛压力稳定 锅炉炉膛压力是否稳定反映了燃烧过程中进入炉膛的风量与流出炉膛的烟气量之间的工质平衡关系。若送风量大于引风量，炉膛压力升高，太高的压力会造成炉膛向外喷火；反之，送风量小于引风量炉膛压力下降，过低的压力会造成漏风而降低炉膛温度，影响炉内燃烧工
3、况，经济性下降。所以说，炉膛压力是否在允许范围内变化，关系到锅炉的安全经济运行。,5,锅炉燃烧过程的上述三项控制任务是不可分开的，它的三个被控参数（被调量）（即蒸汽压力、过剩空气系数或最佳含氧量、炉膛压力）与三个调节量（即燃料量、送风量、引风量）间存在着关联。因此燃烧控制系统内的各子系统应协调动作，共同完成其控制任务。 二、汽压被控对象的动态特性 （1）燃烧率扰动下的汽压动态特性。保持汽机调节阀开度不变，阶跃变化燃料量M：,6,燃料量扰动下的汽压对象的动态响应曲线,7,（2）汽机调门开度扰动下的汽压动态特性,汽机调节阀开度扰动下的汽压响应曲线,锅炉燃料量不变，汽机调门开度阶跃变化。,8,三、燃
4、烧控制系统组成的基本原则 （1）燃烧控制系统在外界负荷需求改变后应立即改变锅炉的燃料量，维持燃烧过程的能量平衡。然而，主蒸汽压力对燃料量的响应呈现较大的迟延和惯性，特别是采用直吹式制粉系统的燃烧过程，如何迅速改变燃烧率至关重要。,9,（2）燃烧控制系统应能迅速发现并消除燃料量的自发扰动，维持主汽压力稳定。 （3）当外界负荷需要改变时，锅炉的送风量和引风量应与燃料量协调动作，使锅炉燃烧经济性指标及炉膛压力参数保持平衡，即锅炉燃烧工况的稳定。 （4）对于单元制运行的锅炉允许主汽压力在一定范围内波动，特别是滑压运行时汽压变动范围更大。故，系统中有关参数应加以温度和压力的修正，以提高参数测量的精确性。
5、,10,四、直流锅炉的燃水比控制 在直流锅炉中，一次工质在给水泵压力作用下，经省煤器加热后，进入下辐射区蒸发为湿蒸汽，再经对流过渡区、上辐射区和对流过热区加热成过热蒸汽，送至汽轮机。可见，直流锅炉是由各受热面及连接这些受热面的的管道组成。其汽水流程中没有汽包和锅内小循环回路。 直流锅炉没有汽包，整个锅炉是由许多管子并联，然后用联箱连接串联而成。在给水泵的压头作用下，工质顺序一次通过加热、蒸发和过热受热面。进口工质为水，出口工质为过热蒸汽。由于没有汽包，所以在加热和蒸发受热面之间，以及在蒸发和过热受热面之间都没有固定的分界线。,11,从控制特性角度来看，直流锅炉与汽包锅炉的主要不同点表现在燃水比
6、例的变化，引起锅炉内工质储量的变化，从而改变各受热面积比例。影响锅炉内工质储量的因素很多，主要有外界负荷、燃料流量和给水流量。保持燃料量与给水流量之间比值关系不变，保证过热汽温为额定值。 1微过热汽温(中间点温度)动态特性 过热蒸汽温度能正确反映燃水比例的改变，但存在较大的迟延，通常为 400s左右；因此不能以过热蒸汽温度作为燃水比例的控制信号，通常采用微过热汽温作为燃水比例的校正信号。在这个意义下，微过热汽温的动态特性具有特殊的重要性。微过热汽温在给水流量扰动和燃料量扰动下具有相似的动态特性，如下图所示。,12,图. 微过热汽温动态特性响应曲线,（a）燃料量扰动；,（b）给水流量扰动；,13
7、,(1) 燃料量扰动下微过热汽温动态特性,图(a)为燃料量扰动下不同压力等级直流锅炉微过热汽温 的响应曲线。对于次高压直流锅炉，由于蒸发受热面比例较大，附加蒸发量比高压直流锅炉的要多，而过热段较短，使微过热汽温 在初始阶段有所下降，如图中曲线1所示。同时，过热段较短又使得微过热汽温变化的惯性小，经附加蒸发量影响之后，曲线很快趋于稳定值。随着压力等级的提高，附加蒸发量减少，曲线逐渐无明显反向变化。而过热段的加长使惯性和迟延有所增加。,14,(2) 给水流量扰动下微过热汽温动态特性 直流锅炉微过热汽温在给水流量扰动下的响应曲线与燃料量扰动下的阶跃响应曲线相似，迟延时间基本一样。对于次高压直流锅炉，
8、在给水流量扰动下，由于附加蒸发量较大，在初始阶段也有反向变化现象，随着压力等级的提高，反向变化现象逐渐减小时，惯性和迟延逐步增加。,结论：微过热汽温在给水流量扰动和燃料量扰动下具有相似的动态特性。,15,2. 微过热汽温的选择,图. 蒸汽等温线的焓值与汽压的关系,16,以微过热汽温作为燃水比的校正信号时，其过热度的选择是非常重要的。从控制系统品质指标的角度考虑，所取的微过热汽温过热度越小，迟延越小。然而，由上图所示蒸汽等温线上焓值与汽压关系曲线可以看出：若焓值小于2847kJkg（680kcal/kg），则图中虚线以下，曲线进入明显的非线性区，汽温随焓值变化的放大系数明显减小，而受汽压变化的影
9、响很大，变得不稳定。这影响微过热汽温对于燃水比例关系的代表性。,经验证明，微过热蒸汽的焓值在2847kJ/kg左右时，其特性比较稳定。微过热汽温的推荐值与汽压的关系如下图 所示:,17,按照反应较快和便于检测等条件，通常在过热段的起始部分选取一个合适的地点，根据该点工质温度来控制燃水比。这一点称为中间点，中间点汽温变化的时滞应不超过3040s。但应说明，在不同负荷时，中间点的汽温不是固定不变，而是机组负荷的函数。,图. 微过热汽温推荐值与压力的关系,18,3燃水比控制方案 （1）方案一 以燃料调节器作为负荷调节器，而以给水调节器作为汽温粗调。即采用以燃料量作为主动流量，调节锅炉负荷，以给水流量
10、作为从动流量，跟随燃料量变化，保持燃水比例不变，调节微过热汽温的配对选择方案。 燃料量变化之后，由送、引风控制系统相应协调改变送风量与引风量，保证燃烧过程经济性及炉膛压力稳定。此控制过程及系统以及通过喷水减温校正过热汽温的控制过程及系统与汽包锅炉相同。,19,20,（1）由单回路调节系统调节汽机调节汽门开度 ，维持机前蒸汽压力 为给定值 。考虑到汽机本身带有独立的调节系统，接受汽轮机转速信号，当电网频率f变化时，改变汽门开度 ，维持汽轮机转速，显然，这对于汽压稳定是不利的。因此，调节器PI1引入电网频率f的微分信号，以抵销或减弱调节系统的动作，稳定汽压。,(2) 燃料量调节与给水流量调节均采用
11、串级调节系统。PI2接受机组功率指令信号与机组实际功率，以功率偏差信号经PI2输出，作为锅炉燃烧率（或锅炉负荷）的修正指令，与机组功率指令相加，组成锅炉燃烧率（或负荷）指令LD，燃料调节器PI3根据LD调节燃料量，同时克服燃料量的扰动。,21,注意：对于燃煤锅炉，可采用热量信号代替燃料量信号，反映燃料量的自发扰动。热量信号中的汽包压力信号可采用汽水流程的中间点压力信号代替。,（3）燃水比调节系统中，由主调节器PI4维持作为燃水比例标志的微过热汽温为给定值，发出给水流量修正指令。副调节器PI5根据前馈信号燃料量信号，以及PI4输出的流量校正信号调节给水流量，确保燃水比例不变。 由于燃水比调节系统
12、与功率控制系统之间是相互关联的，燃料量信号作为前馈信号引入给水流量调节器PI5，起着串联解耦的作用。由串级系统分析方法，考虑两个系统中作为内回路的燃料量调节回路和给水流量调节回路，调节过程的快速性，其内回路可等效为比例环节而归于等效调节器或等效对象内。,22,特点：当燃料量发生扰动时，燃料和给水调节器都将动作，从而使由燃料量内扰而引起的温度偏差由给水流量变化来消除。适用于燃用劣质煤和给粉机运行不稳定的锅炉，因为没有给水调节系统的配合动作，是难以保证过热汽温的稳定的。,23,（2）方案二 以改变给水流量作为负荷的调节手段，而以燃料量跟踪给水流量，保持规定的燃水比，作为过热汽温的粗调。,主控系统通
13、常采用协调控制方式，控制机组功率和蒸汽压力。单元机组功率控制的任务是能迅速改变汽机功率，以满足外界负荷的需要，而汽压控制的任务是保持锅炉出口压力（或机前压力）稳定。主控系统通常采用协调控制方式，控制机组功率和蒸汽压力。单元机组功率控制的任务是能迅速改变汽机功率，以满足外界负荷的需要，而汽压控制的任务是保持锅炉出口压力（或机前压力）稳定。,24,1）主控制系统采用和差解耦系统。将功率偏差信号和压力偏差信号同时引入汽轮机调节器PI1及锅炉主控制器PI2。当出现功率偏差时（功率指令增加），功率偏差信号通过PI1和PI2同时增大调节汽门开度和锅炉负荷指令LD，考虑到锅炉负荷的变化具有较大迟延，功率指令
14、经PD调节器后作为前馈信号与PI2输出相加。,2.控制方案及分析 （1）主控制系统,2）当压力出现偏差时，偏差信号通过PI1 减小汽轮机调节汽门的开度，而通过PI2增大锅炉的负荷。由于两个偏差信号引入PI1的方向相反，负荷变化时，在调节的动态过程中，允许压力保留一定偏差，以利用锅炉蓄热，同时由压力偏差信号限制小开得过大，保持一定功率偏差，以防止汽压波动过大。,25,（2）锅炉负荷控制及燃水比控制两个子系统,对于直流锅炉来说，给水流量的改变可以有效的改变蒸汽流量。 因此该方案以给水流量作为主动流量，调节锅炉负荷。以燃料量作为从动流量，跟随给水流量变化，调节燃水比及汽温。,图. 锅炉控制系统框图,
15、加热段某点水温 代表烟气温度,26,1）负荷控制采用单回路调节系统，由调节器PI3根据负荷指令LD调节给水流量。以给水流量信号W代表锅炉负荷与LD相平衡。燃水比控制仍采用串级型比值控制系统，由副调节器PI5根据给水流量的变化调节燃料量，然后由主调节器PI4根据微过热汽温对燃水比例进行校正。,2）微过热点工质的汽温是其焓值及压力的函数。对于带变动负荷的机组，尤其是变压运行机组，压力变化范围较大，要保持微过热点工质焓值不变，当压力变化时，应按图58所示的汽温一压力关系曲线改变微过热汽温给定值。因此将微过热点压力信号 经函数转换器引入PI4，作为微过热汽温的给定值。,27,3）考虑到燃料量内扰很大，
16、对于燃煤锅炉，燃料量无法准确测量。因此内回路难以有效克服燃料量扰动。系统中引入烟气温度信号经微分器后作为导前微分信号引入PI4，补偿（克服）燃料量扰动时微过热汽温变化的迟延。这既有利于克服内扰，也有利于改善汽温调节品质。采用烟气温度作为导前微分信号反映燃料量扰动的关键，在于能否设计出能够长期稳定运行，并且反应快的热电偶装置。一般情况下，也可采用汽水流程中加热段某点水温信号 作为导前信号。 4）给水流量信号引入调节器PI5，并适当调整与燃料量信号之间的比例系数，可以认为消除了给水流量变化对微过热汽温的影响。,28,（3）方案三 系统采用“和差”解耦，以消除汽压与汽温两个系统之间的关联，是汽压、汽温完全解耦控制系统的方案之一，如下图所示。,29,1)压力偏差 与汽温偏差 同时引入调节器PI1和PI2。PI1与PI2的输出和机组负荷指令LD相加，作为给水流量与燃料量的给定值引入PI3与PI4，调节给水流量与燃料量。 2）机组负荷指令改变（增加）时，首先通过 PI3和PI4增加给水流量和
